OFDM在下一代移動(dòng)通信中的應(yīng)用

東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 宋鐵成



　　現(xiàn)階段，關(guān)于下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)提交給ITU-R第8研究組和世界無線電大會(huì)(WRC)。許多世界著名通信公司已經(jīng)投入巨資研究下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，而在這其中，對(duì)于OFDM技術(shù)的研究也成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。


　　OFDM與下一代通信系統(tǒng)　　總的來說，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)在性能方面主要有以下要求：戶速率在準(zhǔn)靜止(低速移動(dòng)和固定)情況下達(dá)20Mbit/s，在高速移動(dòng)情況下達(dá)2Mbit/s；量要達(dá)到第三代系統(tǒng)的5～10倍，傳輸質(zhì)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于第三代系統(tǒng)；條件相同時(shí)小區(qū)覆蓋范圍等于或大于第三代系統(tǒng)；具有不同速率間的自動(dòng)切換能力，以保證通信質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)的每比特成本要比第三代低。


　　在功能方面主要有以下要求：持下一代因特網(wǎng)和所有的信息設(shè)備、家用電器等；現(xiàn)與固定網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)的無縫化連接；能通過中間件支持和開通多種多樣的IP業(yè)務(wù)；能提供用戶定義的個(gè)性化服務(wù)；按服務(wù)級(jí)別收費(fèi)。


　　由于信道傳輸特性不理想，各類無線和移動(dòng)通信中普遍存在著符號(hào)間干擾(ISI)。通常采用自適應(yīng)均衡器來加以克服，但是，在高速數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了保證克服ISI，往往要求均衡器的抽頭數(shù)很大，尤其是城市環(huán)境可能使得均衡器的抽頭數(shù)達(dá)上百。這樣，必然大大增加了均衡器的復(fù)雜程度，使設(shè)備造價(jià)和成本大大提高。為了能在下一代移動(dòng)通信中有效解決這一問題，OFDM技術(shù)因其頻譜利用率高和抗多徑衰落性能好而被普遍看好，以取代復(fù)雜而昂貴的自適應(yīng)均衡器。近年來，由于DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對(duì)抗ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。


　　OFDM技術(shù)的主要思想是：將指配的信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。


　　關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)


　　與下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)有關(guān)的OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)有：


　　(1)時(shí)域和頻域同步


　　前面已經(jīng)提及，OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感，特別是實(shí)際應(yīng)用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段�！　≡谙滦墟溌分校�基站向各個(gè)移動(dòng)終端廣播式發(fā)同步信號(hào)，所以，下行鏈路同步相對(duì)簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)。


　　在上行鏈路中，來自不同移動(dòng)終端的信號(hào)必須同步到達(dá)基站，才能保證子載波間的正交性�；�站根據(jù)各移動(dòng)終端發(fā)來的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動(dòng)終端，以便讓移動(dòng)終端進(jìn)行同步。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，同步將分為時(shí)域同步和頻域同步，也可以時(shí)頻域同時(shí)進(jìn)行同步。


　　(2)信道估計(jì)


　　在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷的傳送。二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)�！　≡趯�(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。


　　(3)信道編碼和交織


　　為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。


　　在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太深，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因?yàn)镺FDM系統(tǒng)自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是，OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，形成COFDM方式。編碼可以采用各種碼，如分組碼、卷積碼等，卷積碼的效果要比分組碼好。


　　(4)降低峰均功率比


　　由于OFDM信號(hào)時(shí)域上表現(xiàn)為N個(gè)正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值占相加時(shí)，OFDM信號(hào)也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)的OFDM信號(hào)，發(fā)送端對(duì)高功率放大器(HPA)的線性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收端對(duì)前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降甚至直接影響實(shí)際誤應(yīng)用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)擾碼技術(shù)和基于信號(hào)空間擴(kuò)展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。


　　(5)均衡


　　在一般的衰落環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)中均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因?yàn)榫�衡的�?shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM系統(tǒng)就不必再做均衡了。


　　在高度散射的信道中，信道記憶長(zhǎng)度很長(zhǎng)，CP的長(zhǎng)度必須很長(zhǎng)，才能夠使ISI盡量不出現(xiàn)。但是，CP長(zhǎng)度過長(zhǎng)必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對(duì)子載波個(gè)數(shù)不是很大的系統(tǒng)。這時(shí)，可以考慮加均衡器以使CP的長(zhǎng)度適當(dāng)減小，即通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。


　　OFDM的優(yōu)勢(shì)與不足


　　OFDM技術(shù)能夠使運(yùn)營(yíng)商節(jié)省頻寬資源并提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)通信服務(wù)的技術(shù)，故已經(jīng)被幾乎所有固定無線裝置的制造商和營(yíng)運(yùn)商看中。OFDM技術(shù)具有下面的優(yōu)勢(shì)：


　　1.該技術(shù)可以處理多體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的異步特性，可以提供比傳統(tǒng)多址技術(shù)更高的容量，并且可以抗信道的頻率選擇性衰落；


　　2.該技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化。由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信；


　　3.該技術(shù)能提供隊(duì)列服務(wù)，克服傳輸介質(zhì)中外界信號(hào)的干擾，使無線通訊在大部分地區(qū)可以穩(wěn)定使用；


　　4.該技術(shù)解決了在移動(dòng)傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)所引起的無線信道性能變差的問題，從而極大地提高了傳輸信道的質(zhì)量保持；


　　5.該技術(shù)具有快速糾錯(cuò)功能，能夠應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的干擾信號(hào)，并重建所有在傳送過程中遭到破壞的信號(hào)數(shù)據(jù)位；


　　6.該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信；


　　7.該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的安全傳輸性能，它允許數(shù)據(jù)在復(fù)數(shù)的高速的射頻上被編碼；


　　8.該技術(shù)對(duì)傳輸線路上的多路徑外界信號(hào)干擾有較強(qiáng)的抵抗力，非常適合工作在一些惡劣的通信環(huán)境中。


　　OFDM的不足之處為：峰均功率比大，對(duì)系統(tǒng)中的非線懷敏感；對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感。近年來，業(yè)內(nèi)圍繞這兩個(gè)問題進(jìn)行了大量研究工作，并且已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。


小辭典


　　OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Divis-ion Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟(HomePlug Powerline Alliance)工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào)，從而完成信號(hào)傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常被稱為是一項(xiàng)超越非視距的技術(shù)，利用在容易外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中�！　�OFDM技術(shù)的推出其實(shí)是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進(jìn)對(duì)多載波的調(diào)制用的，它的特點(diǎn)是各子載波相互正交，于是擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。



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